Nghiên cứu và xây dựng bộ công cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát, điều khiển sử dụng OPC UA
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.59 MB, 153 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGHIÊN CỨU SINH: NGUYỄN THỊ THANH TÚ
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ
PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM HỖ TRỢ
GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG OPC UA
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT PHẦN MỀM
MÃ SỐ: 62480103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. HUỲNH QUYẾT THẮNG
2. PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH
Hà Nội – 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả
được viết chung với các tác giả khác đều được sự chấp thuận của đồng tác giả trước
khi đưa vào luận án. Trong q trình làm luận án, tơi kế thừa thành tựu của các nhà
khoa học với sự trân trọng và biết ơn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là
trung thực và chưa từng được ai công bố.
Hà Nội, ngày 30 tháng 6 năm 2014
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
PGS.TS. Huỳnh Quyết Thắng PGS.TS. Bùi Quốc Khánh
i
Nguyễn Thị Thanh Tú
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn PGS.TS. Huỳnh Quyết
Thắng, PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, những người Thầy đã giúp cho em có đam mê, có
quyết tâm trong nghiên cứu khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn đến các Thầy/Cô ở Viện CNTT & TT, đặc biệt là Bộ
môn CNPM; Thầy/Cô ở Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa; Ban Giám đốc,
Chuyên viên của Viện Đào tạo Sau đại học; Ban Giám đốc, các đồng nghiệp của
Trung tâm Mạng Thông tin đã tạo điều kiện, hỗ trợ và giúp đỡ trong học tập, trong
nghiên cứu và trong công việc của em suốt thời gian thực hiện luận án.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô Phản biện, các Thầy/Cô trong Hội đồng
các cấp đã trao đổi và cho em nhiều chỉ dẫn quý báu, giúp cho luận án của em được
hoàn thiện, trình bày khoa học, hiệu quả hơn.
Tác giả chân thành cảm ơn đến nhóm nghiên cứu bao gồm các Bạn: Nguyễn Tuấn,
Nguyễn Trọng Minh, Nguyễn Thị Mai, Nguyễn Trí Dũng, Lê Quý Dương, Nguyễn
Việt Dũng, Nguyễn Đình Thịnh đã cùng NCS thực hiện một số nội dung của luận án
này; đặc biệt là TS. Vũ Văn Tân, người đã luôn sát cánh, sẵn sàng chia sẻ kiến thức,
kinh nghiệm để tác giả học tập, nghiên cứu; xin bày tỏ lòng biết ơn tới Gia đình,
những người thân yêu, đã giúp đỡ rất nhiều cả tinh thần lẫn vật chất trong thời gian
nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức cịn hạn chế nên luận án
chắc cịn có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp q giá từ
Thầy/Cơ và các bạn!
ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Từ đầy đủ
Mô tả
ADC
Analog to Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự - số
API
Application Programming Interface
Giao diện lập trình ứng dụng
COM
Component Object Model
Mơ hình đối tượng thành phần
DCOM
Distributed COM
Mơ hình đối tượng thành phần phân tán
DCS
Distributed Control System
Hệ thống điều khiển phân tán
DDE
Dynamic Data Exchange
Trao đổi dữ liệu động
ERP
Enterprise Resourse Planning
Quản lý tài nguyên
EDDL
Electronic Device Description
Ngôn ngữ mô tả thiết bị điện tử
Language
FDT
Field Device Tool
Công cụ thiết bị hiện trường
FT
Flow Transmitter
Thiết bị đo lưu lượng
FBD
Function Block Diagram
Sơ đồ khối chức năng
HCS
Hybrid Control System
Hệ thống điều khiển lai
HMI
Human – Machine Interface
Giao tiếp người máy
HTTP
HyperText Transfer Protocol
Giao thức truyền siêu văn bản
IEC
International Electrotechnical
Tổ chức kỹ thuật điện quốc tế
Commission
ISA 95
International standard for the
Chuẩn cho việc tích hợp hệ thống ở cấp
integration of enterprise and control
điều hành doanh nghiệp
systems
LED
Light Emitting Diode
Đi-ốt phát quang
iii
MES
Manufacturing Execution System
Hệ thống thực thi sản xuất
OLE
Object Linking and Embedding
Nhúng, liên kết đối tượng
ODBC
Open DataBase Connectivity
Kết nối cơ sở dữ liệu mở
OPC
Object Linking and Embedding
Liên kết và nhúng đối tượng cho điều
(OLE) for Process Control
khiển quá trình
OPC AE
OPC Alarm & Event
OPC cảnh báo và sự kiện
OPC DA
OPC Data Access
OPC truy cập dữ liệu
OPC DX
OPC Data eXchange
OPC trao đổi dữ liệu
OPC HDA
OPC Historical Data Access
OPC truy cập dữ liệu lịch sử
OPC XML– OPC XML Data Access
OPC truyền tải dữ liệu trên XML
DA
OPC UA
OPC Unified Architecture
OPC kiến trúc tổng thể
PLC
Programmable Logic Controller
Bộ điều khiển logic lập trình được
SCADA
Supervisory Control And Data
Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu
Acquisition
SFC
Sequential Function Charts
Biểu đồ tuần tự chức năng
SOA
Service Oriented Architecture
Kiến trúc hướng dịch vụ
SOAP
Simple Object Access Protocol
Giao thức truy cập đối tượng đơn giản
SDK
Software Development Kit
Bộ công cụ phát triển phần mềm
TCP
Transmission Control Protocol
Giao thức điều khiển truyền dữ liệu
WSDL
Web Services Description Language
Ngôn ngữ mô tả dịch vụ web
XML
Extensible Markup Language
Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT
Hình số
Nội dung
Trang
1
1.1
Kiến trúc phân tầng phần mềm trong hệ thống công nghiệp (ISA 95)
16
2
1.2
Hệ thống tích hợp cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên
mơ hình ISA 95 và OPC
16
3
1.3
Kiến trúc truyền thống dùng cho các hệ thống công nghiệp
18
4
1.4
Kiến trúc dùng OPC cho hệ thống công nghiệp
18
5
1.5
OPC UA và các đề xuất W3C
19
6
1.6
Phương thức hoạt động của OPC DA
21
7
1.7
Phương thức hoạt động của OPC AE
23
8
1.8
UA thay thế DA, AE và HAD
24
9
1.9
OPC UA – sự đảm bảo về chất lượng
24
10
1.10
Vượt qua internet và tường lửa
24
11
1.11
Ví dụ về mơ hình thơng tin chung
25
12
1.12
UA và giấy chứng thực
25
13
1.13
Từ phần mềm nhúng đến hệ thống
25
14
1.14
Mac, Windows hay Linux
25
15
1.15
SOAP/XML hay UA Binary
26
16
1.16
UA SDK – giải pháp tiết kiệm chi phí
26
17
1.17
Các đặc tả của OPC UA
26
18
1.18
Tổng quan OPC UA
28
19
1.19
Lớp và Mơ hình thơng tin
29
20
1.20
Các lớp phát triển ứng dụng OPC UA
30
21
2.1
Mơ hình của bộ cơng cụ OPC UA Client-Server SDK
38
22
2.2
Mơ hình ứng dụng đề xuất dựa trên bộ công cụ OPC UA ClientServer SDK
40
23
2.3
Các class trong OPC UA Client SDK
42
24
2.4
Biểu đồ hoạt động của Discovery Component
43
25
2.5
Biểu đồ hoạt động của Session Manager
44
26
2.6
Biểu đồ hoạt động của Subsription Manager
45
27
2.7
Biểu đồ hoạt động của Model Manager
46
v
28
2.8
Kiến trúc chung của OPC UA Server SDK
48
29
2.9
Các bước khởi tạo Server
50
30
2.10
Khởi tạo phiên làm việc
51
31
2.11
InodeManager và các đối tượng quản lý không gian địa chỉ
52
32
2.12
Biểu đồ hoạt động – Client gửi yêu cầu truy vấn
53
33
2.13
Biểu đồ hoạt động dịch vụ duyệt không gian nút
54
34
2.14
Biểu đồ hoạt động dịch vụ đọc giá trị thuộc tính
55
35
2.15
Biểu đồ hoạt động dịch vụ tạo nút mới
56
36
2.16
Tổng quan về quản lý đăng ký
57
37
2.17
Mơ hình quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu
57
38
2.18
Biểu đồ hoạt động của dịch vụ CreateSubscription
59
39
2.19
Sơ đồ hoạt động dịch vụ thêm phần tử theo dõi
60
40
2.20
Mơ hình lấy mẫu dữ liệu
61
41
2.21
Sơ đồ kết nối giữa OPC UA Server với thiết bị
62
42
2.22
Giao diện ISecurityHelper
65
43
2.23
Cơ chế hoạt động
65
44
2.24
Tạo giấy chứng nhận
66
45
2.25
Giấy chứng nhận
66
46
3.1
Sơ đồ hoạt động của hệ thống quan trắc môi trường
69
47
3.2
Kiến trúc hệ thống quan trắc mơi trường
70
48
3.3
Cấu hình Controller trong bài toán 1
72
49
3.4
Cách xây dựng Controller trong ứng dụng bài toán 1
73
50
3.5
Thiết bị phần cứng của hệ thống quan trắc
75
51
3.6
Giao diện OPC UA Client của hệ thống quan trắc
75
52
3.7
Thiết bị giả lập FLEX 1000
77
53
3.8
Mơ hình hệ thống bài tốn 2
78
54
3.9
Cấu hình Controller trong bài tốn 2
81
55
3.10
Cách xây dựng Controller trong ứng dụng bài tốn số 2
82
56
3.11
Mơ hình thực nghiệm
82
57
4.1
Sơ đồ thực nghiệm
86
58
4.2
Mơ hình ứng dụng q trình trộn nước
87
vi
59
4.3
Cấu hình Controller trong bài tốn 3
88
60
4.4
Cách xây dựng Controller trong bài tốn 3
89
61
4.5
Giao diện mơ hình hệ thống giám sát và điều khiển q trình trộn
nước
90
62
4.6
Mơ hình chung cho các ứng dụng điều khiển quá trình
92
vii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án .................................................................................1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án ...............................................................................3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án..................................................................5
6. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................5
7. Nội dung luận án .........................................................................................................6
8. Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án .................................................................8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................9
1.1. Hệ thống điều khiển tự động hóa trong cơng nghiệp ...............................................9
1.1.1. Thiết bị điều khiển khả trình......................................................................9
1.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán ..................................................................10
1.1.3. Hệ thống điều khiển lai ............................................................................11
1.1.4. Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán ...........................................11
1.2. Lịch sử phát triển của các chuẩn kết nối và OPC UA ............................................12
1.2.1. OLE..........................................................................................................13
1.2.2. COM/DCOM ...........................................................................................13
1.2.3. XML.........................................................................................................14
1.2.4. SOA .........................................................................................................15
1.2.5. Web Services ...........................................................................................15
1.3. Tổng quan về OPC .................................................................................................15
1.4. Các đặc tả của OPC ................................................................................................20
1.4.1. Đặc tả OPC DA .......................................................................................20
1.4.2. Đặc tả XML-DA ......................................................................................21
1.4.3. Đặc tả DX ................................................................................................22
1.4.4. Đặc tả HDA .............................................................................................22
1.4.5. Đặc tả OPC AE ........................................................................................23
1.4.6. Đặc tả OPC Security ................................................................................23
1.4.7. Đặc tả OPC Batch ....................................................................................23
1.5. Đặc tả OPC UA ......................................................................................................24
1.5.1. Mơ hình Client – Server của OPC UA ....................................................30
1.5.2. Nhận xét về các đặc tả của OPC ..............................................................31
viii
1.6. Phân tích và đánh giá các cơng trình liên quan ......................................................33
1.6.1. Hệ thống KSC ..........................................................................................33
1.6.2. Hệ thống OPC-EWS ................................................................................33
1.6.3. Giao thức trao đổi dữ liệu ........................................................................34
1.6.4. XML-DA Server nhúng ...........................................................................34
1.6.5. SOCRADES, SIRENA và SODA ...........................................................34
1.6.6. Vai trò của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong phát triển
phần mềm giám sát và điều khiển ......................................................................35
1.7. Nhiệm vụ của luận án .............................................................................................37
1.8. Kết luận...................................................................................................................38
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK CHO
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ................................................................39
2.1. Xây dựng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK ..............................................39
2.1.1. Kiến trúc hệ thống của bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK ...........39
2.1.2. Xây dựng OPC UA Client SDK ..............................................................43
2.1.3. Xây dựng OPC UA Server SDK .............................................................49
2.1.3.1. Khởi tạo Server .....................................................................................51
2.1.3.2. Module quản lý phiên làm việc ............................................................51
2.1.3.3. Module quản lý không gian địa chỉ ......................................................52
2.1.3.4. Module quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu .............................................58
a. Mơ hình quản lý đăng ký theo dõi dữ liệu .....................................................58
b. Lấy mẫu dữ liệu trong không gian nút...........................................................62
2.2. Kết nối thiết bị với OPC UA Server .......................................................................62
2.3. Giải pháp về bảo mật cho hệ thống ........................................................................64
2.4. Kết luận...................................................................................................................68
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ CƠNG CỤ OPC UA CLIENT-SERVER SDK VÀO
BÀI TỐN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN .................................................................70
3.1. Bài toán 1: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK trong hệ thống
quan trắc môi trường .....................................................................................................70
3.1.1. Ứng dụng cho hệ thống quan trắc môi trường .........................................71
3.1.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................75
3.2. Bài tốn 2: Ứng dụng bộ cơng cụ OPC UA Client-Server SDK cho hệ thống giám
sát và điều khiển hệ thống điều hòa...............................................................................77
3.2.1. Modbus ....................................................................................................77
3.2.2. Hệ thống giám sát & điều khiển điều hịa nhiệt độ ứng dụng bộ cơng cụ
OPC UA Client-Server SDK kết nối giao thức Modbus ....................................79
3.3. Kết luận...................................................................................................................85
ix
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ OPC UA CLIENT - SERVER SDK VÀO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG CƠNG NGHIỆP .........................86
4.1. Mơ hình thực nghiệm điều khiển q trình trong cơng nghiệp ..............................86
4.2. Ứng dụng bộ cơng cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám sát và điều
khiển q trình trong cơng nghiệp .................................................................................88
4.2.1. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống trộn
nước (bài tốn 3).................................................................................................88
4.2.2. Kết quả thực nghiệm của q trình trộn nước .........................................90
4.2.3. Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào mơ hình giám sát
và điều khiển q trình với nhiều thiết bị ...........................................................93
4.3. Kết luận...................................................................................................................94
KẾT LUẬN ...................................................................................................................96
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .....................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................99
PHỤ LỤC ....................................................................................................................103
I. Một số lớp chính ở hai phía Client & Server của bộ cơng cụ OPC UA Client-Server
SDK .............................................................................................................................103
II. Bài tốn 1: Ứng dụng bộ cơng cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám
sát và điều khiển quan trắc môi trường .......................................................................105
2.1. Thiết kế các chức năng của Server ...........................................................105
2.2. Thiết kế các chức năng của Client ............................................................110
III. Bài tốn 2: Ứng dụng bộ cơng cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám
sát và điều khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ ..............................................................116
3.1. Thiết kế các chức năng của Server ...........................................................116
3.2. Thiết kế các chức năng của Client ............................................................122
IV. Bài toán 3: Ứng dụng bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK vào hệ thống giám
sát và điều khiển q trình trong cơng nghiệp.............................................................126
4.1. Thiết kế các chức năng của Server ...........................................................126
4.2. Thiết kế các chức năng của Client ............................................................134
4.3. Kết nối giữa OPC UA Client và OPC UA Server ....................................137
x
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế thì việc ứng dụng công
nghệ thông tin vào hoạt động sản xuất công nghiệp là tất yếu và cũng là động lực thúc
đẩy sự phát triển, hiện đại hóa trong sản xuất. Mục đích bước đầu tìm hiểu và làm chủ
cơng nghệ, tạo bước đột phá trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT vào công
nghiệp, luận án sẽ hướng hai vấn đề chính sau:
(1) Nghiên cứu, xây dựng bộ cơng cụ phát triển phần mềm hỗ trợ giám sát và điều
khiển q trình dùng trong cơng nghiệp. Từ bộ cơng cụ đã phát triển thành
công, sẽ triển khai vào các ứng dụng để đánh giá khả năng, hiệu quả khi triển
khai vào các ứng dụng thực tế. Kết quả thu được của luận án sẽ có những đóng
góp nhất định cho thiết kế, xây dựng, phát triển và ứng dụng hệ thống giám sát,
điều khiển vào các lĩnh vực cụ thể trong công nghiệp.
(2) Thực tế thị trường ở Việt Nam chưa phát triển hệ thống hoàn thiện về giám sát
và điều khiển, mà đa phần được triển khai và cài đặt từ các sản phẩm được phát
triển ở nước ngồi. Do đó luận án sẽ đóng góp những kết quả bước đầu để dần
làm chủ việc triển khai các hệ thống giám sát, điều khiển trong công nghiệp.
Từ những phân tích, đánh giá ở trên, việc tìm hiểu, đề xuất và phát triển một mơ
hình cho hệ thống giám sát và điều khiển q trình dùng trong cơng nghiệp là cần thiết.
Kết quả thu được từ luận án sẽ là những đánh giá bước đầu cho việc triển khai và ứng
dụng CNTT vào trong công nghiệp. Mục tiêu của luận án là đề xuất và phát triển các
thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation (OPC UA
SDK) và những vấn đề còn hạn chế của các giải pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ
thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là
bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã được tối ưu hố và phát triển thành các
thành phần. Bộ cơng cụ đề xuất này sẽ khắc phục được những hạn chế của các hệ thống
cũ dựa trên các đặc tả trước đó của OPC Foundation.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
OPC Foundation là một tổ chức đề xuất các tiêu chuẩn cho sự phát triển phần mềm
sử dụng trong cơng nghiệp. Thành cơng nhất của OPC cổ điển đó là OPC Data Access
nó được thiết kế như một trình điều khiển để trao đổi dữ liệu thời gian thực từ PLC,
DCS và các bộ điều khiển khác với trạm HMI và hệ thống SCADA, tiếp nối sự thành
công của OPC DA là sự ra đời của OPC Alarm & Event và OPC HA được thiết kế để
truy nhập thông tin của hệ thống SCADA. Tiếp nối thành công vượt bậc đó, OPC đã
được sử dụng như là giao diện chuẩn giữa các hệ thống tự động hóa trên tồn thế giới.
Nhưng một hạn chế của OPC được coi là lớn nhất khiến cho nhiều nhà sản xuất muốn
sử dụng mà khơng được đó là sự phụ thuộc vào COM và sự hạn chế việc truy nhập từ
1
xa khi sử dụng DCOM. Từ những hạn chế trên tổ chức OPC Foundation đã đưa ra OPC
XML-DA. Nhưng OPC XML-DA lại sử dụng một nhà cung cấp và nền tảng cơ sở hạ
tầng truyền thơng trung lập. Chính vì vậy các công ty thành viên của tổ chức OPC
muốn có một cái gì đó mới tốt hơn, loại bỏ hoàn toàn những hạn chế của cổ điển OPC.
Và OPC UA được sinh ra với một sự kỳ vọng rằng nó sẽ thay thế cho tất cả các đặc tả
COM-based đang tồn tại mà không mất mát đi bất kỳ một tính năng hay hiệu năng nào.
OPC UA – là một trong những đặc tả chưa hồn thiện và cịn phải bổ sung, cải tiến rất
nhiều, nhưng nó sẽ trở thành một chuẩn công nghiệp trong tương lai. Đến thời điểm
hiện nay các đặc tả của OPC UA đang ở giai đoạn hồn thiện và nó cũng đặt ra rất
nhiều thách thức và những cơ hội cho các nhà nghiên cứu, phát triển hệ thống phần
mềm, các công ty tin học, các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học vào việc phát
triển, cải tiến và áp dụng vào các ứng dụng thực tế.
Song song cùng với sự đề xuất và giới thiệu đặc tả OPC UA (Unified
Architecture), OPC Foundation đang phát triển bộ công cụ (toolkit) cho các nhà phát
triển phát triển và thực thi các ứng dụng phần mềm trong công nghiệp. Bộ toolkit hứa
hẹn sẽ cung cấp các thư viện (libraries), lớp (classes), phương thức (methods) và giao
diện tham khảo (reference interfaces) cho những nhà phát triển và lập trình ứng dụng
[1]. Tuy nhiên, bộ toolkit này thực sự không đủ cho các nhà phát triển và lập trình vì sự
phức tạp của các hệ thống giám sát và điều khiển, các tác vụ trong giám sát và điều
khiển liên quan, và những hạn chế của bộ toolkit. Do đó việc nghiên cứu và phát triển
các thành phần của OPC UA dựa trên các đặc tả mới nhất OPC UA, SOA (Service
Oriented Architecture), webservices, XML là cần thiết và vẫn là thách thức. Nó sẽ giúp
các nhà phát triển và lập trình tiết kiệm được thời gian, chi phí cho việc phát triển các
ứng dụng phần mềm trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống giám sát và điều khiển.
Các nỗ lực của các nhà phát triển và lập trình sẽ được giảm bớt trong quá trình nghiên
cứu và phát triển các cơng nghệ mới, mặt khác, các thành phần của OPC UA cho phép
các kiến trúc sư hệ thống, thiết kế thực hiện các phân tích phụ thuộc cho sự phát triển
các ứng dụng thực tế trong giám sát và điều khiển trong công nghiệp.
Mặt khác, Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp phần
mềm cho các hệ thống phần mềm dùng trong cơng nghiệp nói chung và cho các hệ
thống giám sát, điều khiển trong các nhà máy xí nghiệp còn hạn chế. Đặc biệt là các
giải pháp phần mềm dựa trên các đặc tả cung cấp bởi OPC Foundation còn hạn chế và
thách thức cho các nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm Việt Nam. Dựa trên q
trình tìm kiếm tài liệu cơng bố trên các tạp chí trong và ngồi nước, hiện tại chưa có
một cơng trình nào của Việt Nam nghiên cứu và triển khai các giải pháp phần mềm dựa
trên các đặc tả của OPC Foundation. Nói rộng ra cho châu Á, hiện tại mới chỉ có Nhật
Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc triển khai nghiên cứu, phát triển và cải thiện các đặc tả
của OPC Foundation.
Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên
các đặc tả mới nhất của OPC Foundation và những vấn đề còn hạn chế của các giải
2
pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong cơng nghiệp.
Sau đó đưa kết quả nghiên cứu áp dụng vào các bài toán thực tế cho các hệ thống giám
sát và điều khiển để đánh giá tính khả thi, hiệu quả của những kết quả đạt được. Tác giả
đi vào nghiên cứu và phát triển bộ công cụ phần mềm ứng dụng dựa trên đặc tả mới
nhất này bằng các bước: (1) Đề xuất và phát triển kiến trúc cho việc thu thập dữ liệu,
giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống; (2) nghiên cứu và đề xuất các giải pháp
tối ưu cho vấn đề tích hợp phần cứng vào OPC UA Server; (3) nghiên cứu và phát triển
các vấn đề về bảo mật khi dữ liệu công nghiệp được truyền trong môi trường mạng một
cách hiệu quả và an tồn. Thêm nữa, lập trình, đánh giá về hiệu năng và triển khai vào
các ứng dụng thực tế cho các hệ thống giám sát và điều khiển dựa trên OPC UA là
những thách thức và đồng thời là cơ hội cho những nhà nghiên cứu, phát triển và lập
trình vì chuẩn OPC UA hướng tới tận dụng tối đa các ưu điểm.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
Như đã phân tích hiện trạng nghiên cứu, vấn đề phát triển các hệ thống giám sát và
điều khiển quá trình dùng trong công nghiệp ở Việt Nam cũng như trên thế giới, mục
tiêu nghiên cứu và kết quả của luận án sẽ hướng đến những vấn đề như sau:
(1) Nghiên cứu mơ hình chung của các hệ thống giám sát và điều khiển q trình
dùng trong cơng nghiệp trên thế giới, đưa ra những ưu nhược điểm của hệ thống
hiện tại. Bên cạnh đó, nghiên cứu và tìm hiểu về các đặc tả của OPC cho việc đề
xuất và phát triển.
(2) Đề xuất giải pháp phát triển hệ thống giám sát và điều khiển q trình dùng
trong cơng nghiệp dựa trên OPC UA. Hệ thống dựa trên OPC được đề xuất ở
dạng kiến trúc Client-Server. Do đó, kết quả của luận án sẽ phát triển thành
công bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK. Mặt khác, OPC UA Server sẽ kết
nối với các thiết bị ngoại vi, ví dụ như cảm biến nhiệt độ,... do vậy mô-đun phần
mềm ghép nối giữa OPC UA Server và thiết bị ngoại vi cũng sẽ được phát triển.
(3) Từ bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK, ứng dụng vào 3 hệ thống giám sát
và điều khiển: (i) Quan trắc mơi trường; (ii) Điều hịa nhiệt độ; (iii) Điều khiển
q trình trong cơng nghiệp.
Nghiên cứu cung cấp một giải pháp dựa trên công nghệ OPC UA mới cho các hệ
thống giám sát điều khiển, giải quyết hai vấn đề sau: (i) Kết hợp các hệ thống không
đồng nhất bằng cách sử dụng công nghệ OPC UA, SOA, XML và các dịch vụ web; Mã
hóa dữ liệu để đảm bảo hiệu suất cao và các giải pháp bảo mật tổng thể cho giao tiếp từ
xa trong môi trường mạng. (ii) Vai trị của mơ hình SOA, XML và các dịch vụ web dựa
trên công nghệ OPC UA áp dụng vào giám sát và điều khiển hệ thống tự động hóa.
Với mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất và phát triển các thành phần của OPC UA
dựa trên các đặc tả mới nhất của OPC Foundation và những vấn đề còn hạn chế của các
giải pháp đã được đề xuất dùng cho các hệ thống giám sát điều khiển trong công
nghiệp. Hơn nữa, kết quả của nghiên cứu cũng sẽ được áp dụng vào các bài toán thực tế
3
cho các hệ thống giám sát và điều khiển. Cho nên phương pháp nghiên cứu để đạt được
kết quả tốt nhất bao gồm cả hai phương diện lý thuyết và thực nghiệm.
Trên phương diện lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan những đặc tả của OPC
Foundation cùng hệ thống giám sát điều khiển và những cơng trình liên quan đã được
cơng bố trong các tạp chí và các hội nghị có uy tín. Đề xuất kiến trúc và phát triển các
thành phần cho OPC UA dựa trên mơ hình Client-Server (OPC UA Server-Client
SDK), Service Oriented Architecture (SOA), Object Oriented Design (OOD),
Webservices,... Các giải pháp tích hợp thiết bị vào trong OPC UA Server cũng được
nghiên cứu và phát triển. Phát triển các thành phần của OPC UA dựa trên hai phương
pháp luận: Domain Analysis và Domain Design [15].
Trên phương diện thực nghiệm: Yêu cầu chung cho các hệ thống giám sát điều
khiển là độ chính xác, độ an tồn, hiệu năng cao, khả năng hỗ trợ dự phòng (OPC UA
Server Redundency, OPC UA Client Redundency),... Do đó các thành phần được phát
triển sẽ được tiến hành chạy thử nghiệm ở dạng OPC UA Client-Server để giám sát
điều khiển thiết bị. Qua đó đánh giá về hiệu năng và những ưu điểm của hệ thống trước
khi có thể tiếp tục phát triển và ứng dụng vào các bài toán ứng dụng thực tế. Quá trình
thực nghiệm sẽ được tiến hành tại Viện Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Đại học
Bách Khoa Hà Nội. Ở đây có đủ trang thiết bị đảm bảo được các mơ hình nghiên cứu
và thử nghiệm nguyên mẫu (prototype) như trong môi trường công nghiệp cho nghiên
cứu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Như đã trình bày ở trên về cơ sở khoa học của luận án, hướng giải quyết và tiến độ
thực hiện luận án, cách tiếp cận của luận án sẽ bao gồm như sau: (i) tiếp cận dựa trên
đặc tả mới nhất của OPC (OPC UA), (ii) dựa trên những mặt hạn chế và điểm yếu của
các cơng trình đã nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp cho hệ thống phần mềm công
nghiệp trong tương lai, (iii) lập trình, triển khai, và kiểm thử hệ thống nhằm đánh giá và
chỉ ra những mặt mạnh, khả năng đáp ứng của nó.
Những nghiên cứu trong lĩnh vực của luận án sẽ bao gồm: (i) nghiên cứu những
đặc tả của OPC, đặc biệt chú trọng đến đặc tả mới nhất là OPC UA, (ii) xem xét những
nghiên cứu hiện tại của thế giới, tìm ra những mặt còn hạn chế và giới hạn của chúng,
(iii) đề xuất một kiến trúc mới cho hệ thống phần mềm cơng nghiệp ở góc độ tổng qt
với mục đích có thể áp dụng được cho nhiều bài toán cụ thể và cải thiện được những
mặt hạn chế hiện tại của các nghiên cứu đã công bố, (iv) nghiên cứu và đề xuất giải
pháp cho vấn đề ghép nối các thiết bị vào OPC UA Server (mapping devices to server),
(v) phát triển, triển khai hệ thống đề xuất và chạy thử nghiệm, (vi) ước lượng, đánh giá,
và đề xuất áp dụng cho các bài tốn thực tế trong cơng nghiệp.
4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng liên quan đến hệ thống thu thập dữ liệu,
giám sát và điều khiển đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước phát triển. OPC cùng
với các trung tâm nghiên cứu, các công ty hàng đầu về phần mềm và phần cứng, các
trường đại học đang nghiên cứu và đưa ra các chuẩn cho sự nghiên cứu và phát triển hệ
thống phần mềm công nghiệp, thông thường sẽ bao gồm cả phần cứng. OPC UA tương
lai sẽ là một tiêu chuẩn quan trọng cho các công ty sản xuất phần cứng và phần mềm
cơng nghiệp. Tuy nhiên hiện tại nó là một thách thức lớn cho những nhà nghiên cứu và
tích hợp hệ thống, đặc biệt là phát triển hệ thống và triển khai vào các ứng dụng cụ thể.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về các đặc tả của OPC và đề xuất các giải pháp thiết
kế, phát triển và triển khai vào các hệ thống phần mềm trong công nghiệp cịn khá mới
mẻ. Do đó, nghiên cứu có những ý nghĩa như sau:
(1) Bước đầu triển khai nghiên cứu những đặc tả của OPC ở Việt Nam.
(2) Thiết kế, lập trình, và chạy thử nghiệm hệ thống đề xuất để đánh giá khả
năng ứng dụng của OPC UA vào trong các bài tốn trong cơng nghiệp nói
chung và cho các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển nói riêng.
(3) Tài liệu hố ở góc độ phân tích và thiết kế hệ thống, giúp cho các nhà phát
triển ứng dụng, các cơng ty tin học có thể phát triển hệ thống một cách khoa
học và dễ dàng.
(4) Đóng góp một phần vào q trình nghiên cứu và làm chủ các giải pháp công
nghệ cho phần mềm công nghiệp, một mảng được cho là khó và mới mẻ ở
Việt Nam.
6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên
cứu thực nghiệm.
Lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về những đặc tả của OPC và những cơng trình
nghiên cứu liên quan đã được công bố trong các hội thảo và trên các tạp chí quốc tế.
Xây dựng lý thuyết về thiết kế phần mềm cho các hệ thống giám sát và điều khiển trong
công nghiệp dựa trên đặc tả OPC UA, SOA, OOD,... Các giải pháp về tích hợp thiết bị
vào OPC UA Server cũng được nghiên cứu, đề xuất và triển khai.
Thực nghiệm: Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống đã thiết kế và phát triển, đánh
giá về hiệu năng và khả năng ứng dụng của hệ thống cho các ứng dụng thực tế. Như
chúng ta đã biết, các hệ thống giám sát, điều khiển, và thu thập dữ liệu trong cơng
nghiệp u cầu về độ chính xác, độ an toàn, hiệu năng cao,... Do vậy yêu cầu chạy thử
nghiệm là hết sức quan trọng trước khi triển khai vào thực tế.
5
Nhằm đạt được kết quả theo như những mục tiêu của luận án đã đặt ra, luận án
được thực hiện theo các phương pháp tiếp cận và nghiên cứu như sau:
Cách tiếp cận:
(1) Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu, phát triển và triển khai hệ thống giám
sát và điều khiển trên thế giới và Việt Nam. Trong đó tác giả đặc biệt chú trọng
đến tình hình trong nước và khả năng ứng dụng của sản phẩm trong thực tế ở
Việt Nam.
(2) Phân tích, đánh giá các giải pháp đã và đang được thực thi kết hợp với những
đặc tả mới nhất của tổ chức OPC Foundation như OPC UA, để đề xuất ra mơ
hình và giải pháp tối ưu nhất cho bài toán nhằm đảm bảo các tiêu chí: Áp dụng
được vào nhiều bài tốn trong cơng nghiệp, hiệu quả, chi phí phát triển và triển
khai thấp nhất, tích hợp được những kết quả nghiên cứu mới nhất trên thế giới.
(3) Dựa trên các kết quả phân tích, và những vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu
trước đây, những yêu cầu cho hệ thống mới trong công nghiệp, sẽ đề xuất giải
pháp phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quá trình dựa trên đặc tả mới
nhất của OPC Foundation và mơ hình ISA 95.
(4) Xây dựng hệ thống theo giải pháp đã đề ra nhằm đảm bảo các tiêu chí đã trình
bày ở trên một cách hiệu quả, phù hợp và khả thi.
(5) Tiến hành kiểm thử và chạy thử nghiệm trong phòng nghiên cứu tại Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội.
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:
(1) Phân tích, thiết kế, và triển khai thử nghiệm.
(2) Phân tích, thiết kế bài tốn giám sát và điều khiển q trình dùng trong cơng
nghiệp nói chung, dựa trên phương pháp phân tích phạm vi lĩnh vực (domain
analysis) và thiết kế dựa trên phạm vi lĩnh vực (domain design), đưa ra giải
pháp tổng thể cho bài toán và xây dựng hệ thống nhằm đảm bảo bảy tiêu chí
như sau: đáp ứng những yêu cầu chung (generic requirements), phương pháp
luận (methodology), mềm dẻo (flexibility), khả năng mở rộng (scalability), khả
năng sử dụng lại (reusability), sự mở (openness) và khả năng thích ứng
(adaptability).
Sản phẩm sẽ được kiểm thử và triển khai thử nghiệm dạng mô phỏng tại Viện
CNTT & TT, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đánh giá hiệu quả và tính khả khi
của hệ thống đã phát triển.
7. Nội dung luận án
Nội dung chính của luận án bao gồm:
Mở đầu
6
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về các vấn đề tồn đọng của các hệ thống giám
sát và điều khiển trong nền công nghiệp của thế giới và Việt Nam, để đưa ra được mục
tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận,… Phân tích tổng quan về các
đặc tả cổ điển của OPC; các cơng trình nghiên cứu khoa học có liên quan; thu thập
nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đặc tả mới nhất chưa hoàn thiện OPC UA các giải
pháp và cơng trình sử dụng cơng nghệ của tổ chức OPC Foundation; phân tích, đánh
giá những mặt còn hạn chế của các đề xuất đã tồn tại. Từ đó đề xuất giải pháp, thiết kế
chương trình và phát triển các thành phần của OPC UA, đưa ra những vấn đề mà luận
án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Chương 2: Dựa trên đặc tả OPC UA và những hạn chế của các hệ thống đã và
đang phát triển, tác giả đề xuất và phát triển bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK.
Từ các thành phần đã được phát triển áp dụng vào ba bài toán cụ thể trong giám sát và
điều khiển được trình bày kết quả trong chương 3 và chương 4 để đánh giá khả năng
ứng dụng, khả thi triển khai vào thực tế, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp ở Việt
Nam.
Chương 3: Dựa vào bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển, xây
dựng ở chương 2. Và với việc tối ưu hoá hệ thống phát triển thành các thành phần để
mở rộng và ứng dụng vào các bài tốn cụ thể trong cơng nghiệp nói chung và các hệ
thống giám sát và điều khiển nói riêng. Kiểm thử hệ thống, ghép nối với các thiết bị
ngoại vi (field devices, controllers, sensors,...) để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Hai
bài toán giám sát, điều khiển hệ thống quan trắc môi trường và hệ thống giám sát, điều
khiển điều hòa nhiệt độ được đề xuất, áp dụng và phát triển.
Việc nghiên cứu, triển khai, thực nghiệm thành công hệ thống giám sát và điều
khiển hệ thống điều hòa nhiệt độ sử dụng giao thức công nghiệp Modbus là bước điệm
và đóng vai trị lớn cho tác giả tiếp tục nỗ lực, quyết tâm đi vào thực hiện kết nối với hệ
thống công nghiệp thực tế. Kết quả của hệ thống này là kết quả của đề tài cấp Bộ Giáo
dục & Đào tạo trong 2 năm 2009 – 2013; đảm bảo hệ thống tương tác với số lượng thiết
bị sẵn có dùng chuẩn Modbus và thích hợp với nhiều môi trường khác nhau như: công
sở, doanh nghiệp, xưởng sản xuất,…
Chương 4: Dựa trên bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã phát triển và kết
quả đạt được của chương 3, thì bài tốn giám sát và điều khiển q trình trong cơng
nghiệp được đề xuất, áp dụng và phát triển. Kết quả đạt được ở ba bài toán đã minh
chứng cho hệ thống đề xuất có khả năng mở rộng và áp dụng cho các ứng dụng cụ thể
trong giám sát và điều khiển, tự động,… Điều này thể hiện bộ công cụ OPC UA ClientServer SDK không chỉ áp dụng được vào 3 bài tốn trên, mà cịn có khả năng áp dụng
vào các hệ thống lớn của dầu khí, hóa chất, cơng nghệ thực phẩm,...
Kết luận
Tài liệu tham khảo
7
8. Kết quả nghiên cứu, đóng góp của luận án
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là bộ công cụ OPC UA Client-Server SDK đã
được tối ưu hoá và phát triển thành các thành phần, khắc phục được những hạn chế của
các hệ thống cũ dựa trên các đặc tả trước đó của OPC Foundation.
(1) Bộ cơng cụ OPC UA Client-Server SDK ứng dụng vào các hệ thống giám sát và
điều khiển trong các nhà máy, xí nghiệp và toà nhà,... dựa trên đặc tả mới nhất
OPC UA. Đảm bảo hệ thống hoạt động tốt, đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin,
đảm bảo sự giám sát và điều khiển tồn bộ hệ thống ở cả hai phía Client và
Server. Tạo môi trường mới cho người vận hành, quản lý hệ thống sản xuất.
(2) Thử nghiệm xây dựng bộ cơng cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài
tốn quan trắc môi trường (EMA). Với hệ thống quan trắc môi trường OPC UA
Server cung cấp các thông tin về môi trường nước như pH, DO, ORP, nhiệt độ, độ
dẫn, độ đục, độ sâu và ánh sáng. OPC UA Client thể hiện các thông số ở dạng đồ
thị nhằm cung cấp cho người vận hành cách nhìn trực quan.
(3) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài
toán giám sát và điều khiển hệ thống điều hịa nhiệt độ dựa trên Modbus. Mơ hình
hệ thống đề xuất OPC UA Client-Server SDK kết nối tới thiết bị Modbus thành
cơng chứng tỏ tính mềm dẻo và tương thích với các chuẩn trong cơng nghiệp của
OPC UA. Điều này giúp cho các nhà phát triển phần mềm có thể mở rộng đối với
các thiết bị sử dụng giao thức Modbus nói riêng và các chuẩn cơng nghiệp khác
như DeviceNet, ControlNet, Fieldbus,... nói chung.
(4) Thử nghiệm xây dựng bộ công cụ đề xuất OPC UA Client-Server SDK vào bài
tốn giám sát và điều khiển q trình trong cơng nghiệp. Trong đó, OPC UA
Server kết nối với mơ hình điều khiển q trình trộn nước trong cơng nghiệp sử
dụng controller, chế độ truyền TCP/IP, kết nối qua cổng Com 3 của controller.
OPC UA Server kiểm tra trạng thái về nhiệt độ, thông lượng, dung lượng và
tương tác với các thiết bị thông qua controller để thực hiện hoạt động điều khiển.
OPC UA Client kết nối tới Server để giám sát các thông số của thiết bị đồng thời
kiểm tra OPC UA Server và gọi các phương thức cho phép trên không gian địa
chỉ.
Kết quả của luận án sẽ được tiếp tục triển khai và áp dụng vào các bài toán thực tế
cho các hệ thống giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống. Nó cũng góp một phần
nhỏ trong quá trình đào tạo và chuyển giao công nghệ giữa Viện CNTT & TT, Đại học
Bách Khoa Hà Nội và các đơn vị, tổ chức nghiên cứu ngoài trường, các học viên cao
học,...
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến hệ thống điều khiển tự
động hóa trong cơng nghiệp, các chuẩn kết nối, các đặc tả của OPC và đặc biệt là đặc
tả mới nhất OPC UA. Đây là những kiến thức nền tảng cần thiết mà luận án sử dụng để
thực hiện các nghiên cứu sau này.
1.1. Hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp
Một hệ thống giám sát và điều khiển có thể được hiểu là hệ thống tích hợp chức
năng giám sát, điều khiển quá trình một cách liên tục, kiểm soát sự kiện, báo cáo và xử
lý các trạng thái bất thường của hệ thống. Toàn bộ chức năng của hệ thống giám sát
điều khiển đều hướng tới các mục đích cơ bản sau [20, 53]:
Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, liên tục: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn
định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các
điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận
hành thuận tiện. Nhiệm vụ của điều khiển là nhanh chóng đưa hệ thống về trạng
thái vận hành ổn định.
Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản xuất
theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thơng số liên quan chất lượng sản phẩm
theo phạm vi yêu cầu.
Đảm bảo vận hành hệ thống một cách an toàn nhất: Giảm thiểu các nguy cơ xảy
ra sự cố cũng như bảo vệ con người, thiết bị máy móc và mơi trường trong
trường hợp xảy ra sự cố.
Nâng cao hiệu quả kinh tế kết hợp với bảo vệ môi trường: Đảm bảo năng suất
và chất lượng theo yêu cầu trong khi giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và
nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường. Giảm ô nhiễm
môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng
và nước thải, hạn chế lượng bụi khói.
Trong những năm gần đây, việc phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin về
phần cứng, phần mềm cũng như các dịch vụ web, điện toán lưới,... đã tạo lợi thế rất lớn
cho việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin vào hệ thống tự động hóa. Các nhà phát triển đã
cung cấp phần mềm giám sát, điều khiển, kiểm soát dữ liệu hệ thống. Tuy nhiên, sự
không thống nhất giữa các giao thức truyền thông, cũng như định dạng cơ sở dữ liệu đã
ảnh hưởng rất lớn tới tính hiệu quả kinh tế, khả năng vận hành ổn định của tồn hệ
thống. Vì lý do đó, công nghệ OPC, mà đặc tả mới nhất là OPC UA đã và đang được
phát triển để đưa ra một tiêu chuẩn thống nhất cho các nhà sản xuất phần mềm.
1.1.1. Thiết bị điều khiển khả trình
Các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được phát triển
trong lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay thế các bảng mạch rơ le [20]. Các thiết bị PLC
9
có ưu điểm là tốc độ xử lý các tín hiệu logic nhanh (cỡ micro tới mili giây) tuy nhiên
khả năng xử lý các tín hiệu analog lại kém.
Các PLC được thiết kế cho các ứng dụng logic độc lập như là ứng dụng điều khiển
trong nội bộ một máy sản xuất hay một công đoạn sản xuất độc lập tương đối với các
cơng đoạn khác. Nói chung PLC thiên về các ứng dụng đơn lẻ.
Ưu điểm của PLC là xử lý các phép tính logic với tốc độ rất cao, thời gian vòng
quét nhỏ (cỡ μs – msvòngquét). Ban đầu PLC chỉ được sử dụng cho điều khiển logic và
chỉ quản lý được các đầu vào/ ra số. Qua quá trình phát triển, ngày nay một số loại PLC
đã được bổ sung thêm nhiều chắc năng như khả năng quản lý đầu vào/ra analog, khả
năng hỗ trợ các hệ thống truyền thông công nghiệp,... Các giao thức truyền thông công
nghiệp mà các PLC hiện nay hỗ trợ là: PROFIBUS, AS-i, DeviceNet. Việc hỗ trợ thêm
các chuẩn giao diện truyền thông trong các thế hệ sau này của PLC đã mở ra khả năng
ứng dụng PLC trong các hệ thống lớn hơn bằng cách nối mạng với nhau tạo thành
mạng PLC hoặc kết nối với các hệ thống lớn (hệ DCS), hoặc cũng có thể kết nối với
máy tính có phần mềm giao diện người – máy (HMI) tạo thành hệ PLC/HMI để điều
khiển, giám sát và thu thập số liệu.
Tuy có khả năng quản lý được đầu vào/ra analog nhưng số lượng quản lý được cịn
khá hạn chế, khơng hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (Multi-Task) nên thuật toán xử lý trên
các biến analog kém, không phù hợp với yêu cầu điều khiển – điều chỉnh. PLC cộng
với máy tính cá nhân (PC), các máy tính cơng nghiệp (IPC) cũng có thể thực hiện được
phương án điều khiển phân tán nhưng sẽ mất rất nhiều cơng sức lập trình và nó khơng
thể thay thế các hệ DCS thương phẩm do những hạn chế về cơ sở dữ liệu nhỏ, độ tin
cậy kém.
1.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán
DCS (Distributed Control System) được dùng để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử
dụng cấu trúc điều khiển phân tán [20]. Khác với PLC, DCS là giải pháp tổng thể kể cả
phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống được phát triển từ các ứng dụng điều khiển
của ngành công nghiệp hóa chất với các bộ điều khiển ban đầu sử dụng kỹ thuật tương
tự. Giải pháp thiết kế của các hệ DCS là hướng vào các ứng dụng điều khiển phân tán
nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao kể cả tích hợp
với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập. Mục tiêu tạo
thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển.
Thế mạnh DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện chuỗi q trình
phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng. Các hệ thống DCS ngày nay thường bao gồm các
thiết bị điều khiển (Controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm hệ điều hành
hệ thống tích hợp hỗ trợ khả năng điều khiển phân tán. Các hệ DCS có thể quản lý
được từ vài nghìn điểm đến hạng chục nghìn điểm vào/ra. Nhờ cấu trúc phần cứng và
phần mềm có tính thống nhất, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều
chỉnh, điều khiển nhiều tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ
10
thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mơ hình dự báo (MPC),
Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng (QCS).
Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin, các hệ DCS ngày nay hỗ trợ nhiều giao
thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý. Với cơ sở dữ liệu lớn, độ tin cậy cao,
các hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể.
1.1.3. Hệ thống điều khiển lai
Xuất phát từ nhu cầu của các ứng dụng cơng nghiệp và xu hướng giảm chi phí cho
các hệ thống điều khiển, gần đây các nhà cung cấp đã cho ra đời các hệ điều khiển mới
gọi là hệ điều khiển lai (Hybrid Control System) [20].
Do ra đời sau, kế thừa nền tảng công nghệ của cả PLC và DCS nên hệ lai là sự pha
trộn thuộc tính của hệ PLC và hệ DCS. Hệ lai có khả năng thực hiện được cả quá trình
liên tục và gián đoạn, có khả năng quản lý được đến khoảng 10000 điểm vào/ra. Hệ
thống lai có các thiết bị điều khiển nhỏ hơn các hệ DCS nhưng tận dụng được hết các
ưu điểm thiết kế của các hệ DCS. Các hệ lai cũng cung cấp việc sử dụng công nghệ Bus
trường bao gồm Forudation Fieldbus, AS-i, Profibus và DeviceNet. Các hệ lai thường
hỗ trợ các chuẩn mở như là OPC, XML, ODBC. Chúng cũng có ưu thế trong việc tích
hợp vào hệ thống lập kế hoạch cho doanh nghiệp các cấp thiết bị thấp như điện thoại
không dây, máy nhắn tin và PDA.
Hầu hết các hệ lai đều được trang bị các chức năng điều khiển theo mẻ, theo khối,
vận hành giám sát. Ngồi ra, các cơng cụ phát triển ứng dụng với nhiều chức năng, giao
diện thân thiện, ngôn ngữ lập trình bậc cao đã được chuẩn hóa giúp cho các kỹ sư xây
dựng, phát triển một ứng dụng dễ dàng và nhanh chóng hơn.
Hạn chế ứng dụng của hệ thống điều khiển lai là do các thiết bị điều khiển nhỏ dẫn
lưu lượng truyền thơng lớn và nó sẽ hạn chế về số lượng điểm vào/ra, đặc biệt khi hệ
thống yêu cầu chu ký điều khiển nhỏ. Với khả năng mở rộng cơ sở dữ liệu hạn chế (tối
đa khoảng 60.000 tags), các hệ lai cũng không đủ phục vụ cho các ứng dụng lớn.
1.1.4. Điều khiển tập trung và điều khiển phân tán
Có rất nhiều định nghĩa về hệ điều khiển phân tán, hầu hết các nhà cung cấp giải
pháp điều khiển, các nhà tích hợp hệ thống đều có những định nghĩa riêng cho mình về
điều khiển phân tán.
Dưới góc độ của nhà nghiên cứu và kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển thì khái
niệm điều khiển phân tán được sử dụng để phân biệt với điều khiển tập trung truyền
thống [20]. Về mặt nguyên tắc, việc điều khiển một đối tượng, một nhóm đối tượng có
liên quan đến nhau hay một quá trình cần phải được xem xét dưới góc độ của hệ thống
nhiều đầu vào/ra. Điều khiển phải tập trung và cơ sở dữ liệu phải thống nhất để đảm
bảo khả năng đáp ứng tốt nhất đối với yêu cầu công nghệ.
Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung, mọi quá trình tính tốn
thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm. Phương án điều khiển tập trung này có ưu điểm
là hệ cơ sở dữ liệu thống nhất, tập trung. Do đó, ta có thể thực hiện các thuật tốn điều
11
khiển tập trung và thống nhất. Nhược điểm của nó là khi đối tượng điều khiển nhiều,
phức tạp có thể dẫn tới khối lượng tính tốn lớn và các hệ xử lý trung tâm khơng đáp
ứng được u cầu tính toán của hệ thống. Thêm nữa, các giá trị đo lường phải tập trung
về máy tính điều khiển dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho
cơng tác bảo trì sửa chữa.
Khác với điều khiển tập trung, điều khiển phân tán có q trình tính tốn điều khiển
là q trình tính tốn phân tán. Q trình tính tốn được thực hiện trên nhiều hệ xử lý
và hệ cơ sở dữ liệu có thể tập trung hoặc phân tán trên các hệ xử lý này nhưng vẫn đảm
bảo tính thống nhất.
Tính ưu việt của hệ điều khiển phân tán được thể hiện rõ ở những điểm sau: Tiết
kiệm được dây nối và công nối dây nhờ các mạng truyền thông. Hiệu suất cũng như độ
tin cậy của hệ thống được nâng cao. Độ linh hoạt cao, thể hiện tính năng mở trong việc
mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị, nâng cấp và tạo mới các chương trình phần mềm
ứng dụng.
Để thực hiện điều khiển phân tán ta có thể có các phương án sau:
Sử dụng PLC với mạng truyền thơng cơng nghiệp: Có thể sử dụng PLC để thực
hiện điều khiển phân tán nhưng đòi hỏi người kỹ sư thiết kế phải tự thực hiện
việc xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quá trình, phải tự thiết kế và lập trình giao thức
truyền thơng thời gian thực để trao đổi dữ liệu giữa các PLC, phải tự đánh giá
và sắp xếp thứ tự thực hiện các luật điều khiển để đảm bảo yêu cầu thời gian
thực,...
Sử dụng các hệ DCS: Các hệ DCS được thiết kế để hướng tới các ứng dụng
phân tán nên rất phù hợp cho các hệ thống lớn, phức tạp, đòi hỏi độ tin cậy cao.
Trở ngại duy nhất là về mặt chi phí đầu tư, các hệ DCS thường có giá thành cao
dẫn tới chi phí đầu tư lớn.
Sử dụng hệ thống điều khiển lai: Với các ứng dụng điều khiển cỡ trung bình,
q trình điều khiển ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống điều khiển lai để
thực hiện là phù hợp hơn cả vì nó cho phép tận dụng những ưu điểm của các hệ
thống điều khiển DCS với chi phí đầu tư thấp hơn.
1.2. Lịch sử phát triển của các chuẩn kết nối và OPC UA
Hiện nay, hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp (PLC, DCS,…) đều
áp dụng công nghệ do tổ chức OPC Foundation đưa ra với những giải pháp cho nhiều
loại thiết bị, linh kiện, và các hệ thống từ các nhà cung cấp khác nhau, đặc biệt là cung
cấp các chuẩn kết nối như OLE, COM, DCOM,… cho các thành phần của hệ thống.
OPC cổ điển được xây dựng trên công nghệ COM (Component Object Model).
COM được hỗ trợ trong tất cả các nền tảng Windows, nhưng lại rất khó triển khai trên
các nền tảng khơng phải Windows. DCOM (Distributed COM) có thể được sử dụng
cho các ứng dụng trên Internet, nhưng vấn đề bảo mật lại chưa được đề cao.
12
Từ đó, tổ chức OPC Foudation đưa ra đặc tả mới là OPC UA sử dụng chuẩn kết
nối XML, các dịch vụ web, và Service Oriented Architecture (SOA) như cơ chế thơng
tin liên lạc. Cơng nghệ mới này có tiềm năng để mở rộng kinh doanh, kết nối linh hoạt
các hệ thống giám sát và điều khiển trong công nghiệp. Vì vậy, việc giải quyết những
thách thức của SOA, XML và các dịch vụ web cho phát triển các ứng dụng tự động hóa
cơng nghiệp là cơng việc cần thiết đối với các nhà xây dựng, phát triển hệ thống, phát
triển dịch vụ do các giới hạn của phương pháp tiếp cận hiện tại và những lợi thế của các
công nghệ mới OPC UA. Sự kết hợp các hệ thống không đồng nhất bằng cách sử dụng
công nghệ OPC UA, SOA, XML và các dịch vụ web. Mã hóa dữ liệu để đảm bảo hiệu
suất cao và các giải pháp bảo mật tổng thể cho giao tiếp từ xa trong môi trường mạng.
1.2.1. OLE
Object Linking and Embedding (OLE) ra đời năm 1990, là một công nghệ được
phát triển bởi Microsoft cho phép nhúng và liên kết các tài liệu và các đối tượng khác
nhau [23].
Giao thức Dynamic Data Exchange (DDE) được xem như là giải pháp đầu tiên cho
việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng chạy trên nền Windows. Tuy nhiên, nhược
điểm của giao thức này là băng thơng thấp, do đó nó khơng thích hợp cho các ứng dụng
cơng nghiệp địi hỏi hiệu suất cao, rút ngắn thời gian.
Chính vì vậy, OLE đã ra đời thay thế cho DDE. Ưu điểm của OLE là hiển thị trực
quan dữ liệu từ server, và tạo ra một tập tin thống nhất. OLE được sử dụng không chỉ
cho việc quản lý dữ liệu mà còn để truyền dữ liệu giữa các ứng dụng khác nhau [9].
1.2.2. COM/DCOM
Componet Object Model (COM) là một nền tảng mạnh được phát triển bởi
Microsoft. Năm 1992, Microsoft đã phát triển OLE lên về tính năng và đặt tên là COM
(1995). COM là sự đặc tả và là một tập hợp các dịch vụ cho phép tạo ứng dụng không
phụ thuộc ngôn ngữ, khả năng module hóa, hướng đối tượng, phân tán, tùy biến, nâng
cấp được. Mơ hình này xác định cơ chế giao tiếp giữa các đối tượng bao gồm dữ liệu và
ứng dụng. Dữ liệu về các đối tượng được lưu trữ và có thể truy cập một cách dễ dàng
[23].
Phương thức giao tiếp cơ bản của COM là đồng bộ lời gọi. Các đối tượng được chờ
cho đến khi nó được gọi theo phương thức này. COM cũng quy định cách kết nối giữa
các đối tượng dữ liệu để thực hiện giao tiếp khơng đồng bộ.
Năm 1996, COM bắt đầu hỗ trợ tính tốn phân phối và Microsoft đặt tên nó là
Distributed COM (DCOM), hỗ trợ giao tiếp giữa các đối tượng trên các máy tính khác
nhau nhưng trong cùng một mạng nội bộ (LAN, WAN) hoặc thậm chí cả Internet.
13
DCOM cung cấp giao thức mạng sử dụng phương pháp chặn lời gọi trực tiếp từ client
và chuyển các lời gọi đó đến các thành phần xử lý tương ứng trong cùng một quá trình.
Nguyên tắc cơ bản của COM:
Interfaces: Để cho các thành phần khác có thể “thấy” và dùng những chức năng
của COM Interfaces giống như một chỗ trên bộ nhớ có những con trỏ đến các phương
thức của một đối tượng. Mỗi giao diện nằm trên nền tảng của một COM-interface gọi là
IUnknown, giao diện này sẽ cho phép đi đến những giao diện khác của đối tượng đó.
Mỗi giao diện có một khóa giao diện ID gọi là IID.
Iunknown: Có 3 phương thức: QueryInterface – giúp tìm đúng giao diện. AddRef
– đếm những object references (reference counting). Release – đếm object references.
Reference Counting: Khi một đối tượng khơng dùng nữa thì phải xóa nó khỏi bộ
nhớ. Reference counting dùng để kiểm tra xem đối tượng đó cịn hay khơng. AddRef và
Release dùng như tên của chúng, để đặt và xóa một reference.
QueryInterface: Dùng để hỏi một đối tượng về một giao diện thì phải dùng
QueryInterface. Để có thể tìm đựợc giao diện thì đối tượng đó phải dùng IID của giao
diện đó. QueryInterface sẽ trả lại một con trỏ đến giao diện đó và đồng thời gọi
AddRef.
COM/DCOM là công nghệ được OPC sử dụng để đặc tả định nghĩa một tập chuẩn
cho đối tượng, giao diện và phương thức để sử dụng trong quá trình kiểm sốt và ứng
dụng tự động hóa sản xuất.
1.2.3. XML
Extensible Markup Language (XML) được W3C thông qua vào tháng 2/1998, là
tập các quy ước chuẩn về cách phân chia một tài liệu thành nhiều phần, đánh dấu từng
phần theo đặc trưng của nó rồi ghép lại [23]. XML là ngơn ngữ dùng để định nghĩa dữ
liệu, người dùng có thể tự định nghĩa các thẻ [45, 46].
XML được tạo ra để chuyển dữ liệu qua lại giữa các hệ thống và các platform khác
nhau. XML hỗ trợ cả hai dạng dữ liệu có cấu trúc và khơng có cấu trúc. Nó cung cấp
định dạng và cấu trúc dữ liệu, nhưng không chỉ rõ các ngữ nghĩa của định dạng đó. Ưu
điểm của XML là dễ dàng trao đổi dữ liệu, tùy biến ngôn ngữ đa dạng [57]. Đặc biệt,
XML hỗ trợ khả năng tương tác trong các môi trường phân tán, khơng đồng nhất, ví dụ
như Internet [48, 49, 50].
XML là công nghệ được OPC sử dụng trong OPC XML-DA, OPC XML-DA là
nền tảng độc lập đầu tiên của OPC Specification thay thế COM/DCOM bằng
HTTP/SOAP và công nghệ Web Serivice.
14
